[论文解读] Repeating Tidal Disruption of Stars as a Prompt Electromagnetic Signature of Supermassive Black Hole Coalescence

Nicholas C. Stone, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文提出，超大质量双黑洞并合通过反复潮汐撕裂恒星产生独特的电磁信号，其机制为并合后黑洞因反冲作用导致损失锥被填充。由此产生的耀发每年可达约0.1次，作为近期并合事件的即时可观测标志，可用于校准LISA和脉冲星时标阵列的引力波源率。

ABSTRACT

A precise electromagnetic measurement of the sky coordinates and redshift of a coalescing black hole binary holds the key for using its gravitational wave (GW) signal to constrain cosmological parameters and to test general relativity. Here we show that the merger of ~10^{6-7}M_sun black holes is generically followed over a period of years by multiple electromagnetic flares from tidally disrupted stars. The sudden recoil imparted to the merged black hole by GW emission promptly fills its loss cone and results in a tidal disruption rate of stars as high as ~0.1 per year. The prompt disruption of a star within a single galaxy over a short period provides a unique electromagnetic flag of a recent black hole coalescence event, and sequential disruptions could be used on their own to calibrate the expected rate of GW sources for pulsar timing arrays or the proposed Laser Interferometer Space Antenna (LISA).

研究动机与目标

• 识别超大质量黑洞双星并合的即时电磁对应体，此类事件在电磁波段原本不可见。
• 应对引力波时代中识别和定位黑洞并合的挑战，此时电磁波后续观测对宇宙学和广义相对论检验至关重要。
• 证明并合后恒星潮汐撕裂可作为近期并合事件的独特可观测信号。
• 提供一种利用重复耀发的电磁观测校准LISA和脉冲星时标阵列预期引力波源率的方法。
• 探索这些耀发作为未来空间引力波任务（如LISA）中独立工具约束并合率的可行性。

提出的方法

• 模拟由于引力波非对称发射而施加于并合后超大质量黑洞的反冲冲量。
• 计算由此导致的黑洞损失锥填充，从而提高恒星潮汐撕裂事件（TDE）的发生率。
• 利用损失锥理论估算潮汐撕裂率，表明其在并合后可高达约每年0.1次。
• 评估单个星系中多重耀发的可探测性，作为近期黑洞并合的标志。
• 将观测到的耀发率与脉冲星时标阵列及LISA预期的引力波源探测率关联。
• 利用耀发重复的时间尺度推断并合事件的时间，从而提供精确的电磁红移和天球位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 超大质量黑洞并合产生的反冲冲量是否会导致附近恒星潮汐撕裂率显著增加？
• RQ2 潮汐撕裂事件引发的重复电磁耀发能否作为近期黑洞并合的独特、即时信号？
• RQ3 观测到的耀发率在多大程度上可用于校准LISA和脉冲星时标阵列预期的引力波源率？
• RQ4 在致密恒星环境中，黑洞并合后潮汐撕裂耀发的预期 timescale 和发生率是多少？
• RQ5 重复TDE的电磁信号能否为并合黑洞双星的天球位置和红移提供独立约束？

主要发现

• 并合后反冲使黑洞损失锥被填充，导致恒星潮汐撕裂率显著上升，最高可达约每年0.1次。
• 由此产生的电磁耀发持续数年，可在单个星系中作为重复的明亮暂现源被探测到。
• 这些耀发为黑洞并合提供了独特且即时的电磁对应体，实现精确的天球定位与红移测量。
• 耀发序列可独立用于校准脉冲星时标阵列预期的引力波源率。
• 耀发为通过电磁与引力波联合观测检验广义相对论并约束宇宙学参数提供了方法。
• 该模型预测，单个宿主近期并合事件的星系可能表现出多次TDE，使其成为多信使天文学的优先目标。